基于InfoWorks ICM模型的武漢市C城區排澇能力與漬水風險評估

張文博，毛 毅，楊 超

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢430021）

0 引言

隨著近年來武漢經濟快速發展以及城市化進程的進一步加速，城市下墊面的硬化比例也不可避免地持續上升，同時疊加愈發頻繁的極端降雨氣候，導致城區內澇風險日益增加。因此，借助快速發展的計算機技術，在實際降雨造成的災害發生之前，對城區的排澇能力及漬水風險進行評估分析并以此為依據制定切實有效的應對方案便具有顯著的意義。

雨洪模擬研究始于20世紀四五十年代的西方發達國家［1］，經過半個多世紀的發展演進，目前已誕生了幾款較為成熟的城市雨洪模型軟件，如英國Wallingford公司的InfoWorks ICM、丹麥DHI的MIKE以及美國環保署（EPA）研發的開源模型SWMM［2］。其中，InfoWorks ICM作為一款較好地整合了管網河道一維水力模型與城市地表二維洪澇模型的雨洪模型軟件［3］，尤為學者所青睞，同時也獲得了廣泛的應用。例如，郭芝瑞等［4］借助InfoWorks ICM軟件模擬優化確定了調蓄池的位置；葉陳雷等［2］利用InfoWorks ICM建立了福州市江北城區的一維河網模型并模擬了晉安河的水位變化情況；魏忠慶等［5］通過InfoWorks ICM搭建的F市排水系統耦合模型找到了漬水原因并給出了解決方案；于晨暉等［6］利用InfoWorks ICM評價了H鎮污水管網的輸水能力，對泵站排水量進行優化，提升了系統運行效率；吳彥成等［7］則基于InfoWorks ICM建立了咸陽市主城區的一維、二維耦合水動力模型，對其排水系統能力及城市內澇風險進行了充分的評估，并給出了合理的建議。

本文以武漢市C城區為研究對象，采用InfoWorks ICM軟件搭建了涵蓋城市排水管網系統與河湖水系在內的一維、二維耦合模型，并以此為基礎對該城區的管網排澇能力及不同降雨條件下的漬水風險進行了評估。

1 研究區排水系統現狀

C城區位于平原湖區，沿湖多為地勢低洼區，降雨自然匯入湖泊，而湖泊通過港渠與外江相連通，形成水系網絡。非汛期時，城區內的雨水可經由港渠自排閘自排出江；汛期時，外江水位高漲，城區雨水經出江口的排澇泵站抽排出江。按雨水的排放出路，C城區全區共劃分為3大系統14個排水分區，總面積約86 km2。排水分區分布如圖1所示。

圖1 C城區匯水分區示意

2 模型基本原理

2.1 地表產匯流模擬

本次模型針對道路、屋頂、鋪裝及水面等不透水下墊面的降雨產流采用固定徑流系數法模擬；針對綠地、裸地等透水下墊面的降雨產流采用Horton下滲法進行模擬。Horton下滲法公式如下：

式中：ft為t時刻的下滲強度，mm/h；f0為初始下滲強度，mm/h；fc為穩定下滲強度，mm/h；t為時間，h；k為下滲衰減系數，1/h。

2.2 水動力模擬

地表產匯流進入雨水管網系統后，在排水管網中的流動狀態較為復雜。InfoWorks ICM運用非恒定流數值模擬，采用動力波法離散差分求解圣維南方程組，動態模擬管網和河網的復雜水動力運動，包括重力流、壓力流、逆向流和往返流等。

2.3 一維二維耦合模擬

一維水力學模型主要用于模擬管網河道中的水流運動，二維地表模型則可模擬地面積水的漫流演進以及河湖、檢查井等與地表的洪澇交互過程。因此，為統籌考慮河湖水系、管網設施及地形與地面構筑物的影響，更全面、真實地模擬城區內澇情況，本次模擬建立了一維、二維耦合模型。

3 模型構建

3.1 數據基礎

模型構建的數據基礎包括設計降雨數據、勘測管線數據、地形高程數據、城區下墊面數據、水系斷面數據以及閘泵等相關排水設施運行數據。

3.2 模型搭建

針對C城區研究范圍內的現狀雨水管網、排水設施、下墊面和地形高程以及范圍外與之相關聯的整個蔡甸東湖水系搭建耦合模型，其中C城區范圍內搭建一維、二維耦合模型以模擬發生漬水時的地面漫流過程，而C城區范圍外則僅用一維模型進行概化。整體模型網絡構建結果如圖2所示。

圖2 C城區現狀內澇模型概化結果

3.3 模型率定

采用納什效率系數法對本次模型進行率定。納什系數（Ens）表示了實測值與模擬值的偏離程度，取值范圍為（-∞，1）。Ens越接近于1，說明模擬值與實測值的偏離程度越小，模擬效果越好；當Ens≥0.65時，表示模擬結果較為可靠。

本次模型率定選擇武漢市2016年6月30日—7月6日實測降雨數據（見圖3）作為模型率定的降雨事件，通過將湖泊的模擬水位值與降雨期間監測站點的水位實測值進行對比分析，計算其納什系數。

圖3 2016年6月30日—7月6日武漢市7日實測降雨

根據圖4、圖5以及表1中H湖和S湖的數據分析結果，兩個水位站點的水位模擬數據與監測數據的整體吻合度較好，納什系數均高于0.8，模擬效果非常好。其次，最高水位模擬誤差也均控制在合理范圍之內。總體而言，模型模擬結果較為可靠，可用于C城區排澇能力及漬水風險的評估分析。

4 結果分析

4.1 排澇能力評估

分別采用重現期為1，3，5年的3 h設計降雨對C城區雨水管網的過流能力進行模擬評估，以降雨過程中的最不利條件下管道是否承壓為標準來判斷管道排水能力是否不足。評估結果表明：C城區管徑超過800 mm的主要雨水管道中約30%不足一年一遇的排放標準，其排水能力有限，此外這些管道大多分布在沿江、沿河及M湖、L湖周邊的區域，且這些區域為C城區人口較為密集的老城區，因此影響較大；而滿足5年一遇排放標準的管道則占比超過40%，主要集中在新建的四新地區及三環以南地區。因此，總體而言，C城區管網排水能力呈現出老城區較低、新城區較高的局面。C城區詳細的管線分布及管道重現期占比如圖6及表2所示。

圖4 H湖模型校驗對比分析

圖5 S湖模型校驗對比分析

表1 監測站點模擬水位校驗

圖6 C城區現狀雨水管網重現期分布

表2 C城區雨水管道能力統計

4.2 漬水風險評估

4.2.1 風險評判標準

結合相關規范及《武漢市排水防澇系統規劃》的常用設定，本次對C城區的漬水風險評估結合區域積水深度及漬水時長這兩個因素來制定內澇風險評判標準，具體評判標準如表3所示。

表3 C城區漬水風險評判標準

4.2.2 區域風險評估

根據C城區內澇防治目標，本次模擬分別采用20年一遇及50年一遇的設計降雨來對C城區漬水風險進行評估，結果如下。

（1）20年一遇設計降雨。

在20年一遇降雨條件下，部分區域出現了不同程度的積水，但漬水風險總體可控，高風險區域主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以東的沿江片，面積總計約1.52 km2，占C城區研究范圍總面積的1.52%，如圖7所示。結合管網評估結果及地形分析可知，上述區域漬水風險較高主要是由于管網能力不足以及地勢低洼等因素綜合造成的。

圖7 C城區20年一遇降雨漬水風險評估

（2）50年一遇設計降雨。

在50年一遇降雨條件下，C城區漬水范圍及風險程度均有所上升，高風險區域同樣主要集中在L湖以北的沿河片及M湖以東的沿江片，但逐漸蔓延到南部的四新片區，其總面積約2.08 km2，占比2.08%，如圖8所示。究其原因，同樣為管網能力不足及地勢較低。

圖8 C城區50年一遇降雨漬水風險評估

5 結論及建議

（1）C城區研究范圍內管徑超過800 mm的雨水管道中，重現期不足1年一遇的管線占比31.96%，重現期在1～3年一遇的管線占比16.32%，重現期在3～5年一遇的管線占比7.67%，而重現期滿足5年一遇的管線則占比44.05%。

（2）在20年一遇設計降雨條件下，C城區的漬水風險總體可控；但在應對50年一遇的設計降雨時，C城區研究范圍內許多區域都出現了較為嚴重的積水。兩種設計降雨條件下，漬水高風險區域均集中在L湖以北的沿河片區及M湖以東的沿江片區，漬水原因主要為管網能力不足及局部地勢低洼。

（3）以現狀評估分析結果為依據，建議提高兩片高風險區域的排水管網標準，必要時可采用移動泵車對低洼漬水區域進行臨時抽排，另外也可結合舊城改造等因地制宜地推進海綿城市建設，以削減源頭雨水徑流產量。